新型有机染料敏化剂的设计和合成

The design and synthesis of dye sensitizers, which is the key component of dye sensitizer solar cells (DSSCs), have emerged as an important class of photovoltaic devices. Especially，the organic dyes possess some advantages, such as their low cost, easy molecular tailoring of the electronic properties, and high molar coefficient. As an electron-excessive heteroaromtic ring with low resonance energy, pyrrole can act as an efficent conjugation bridge, and according to its structure characterization, the dyes based on pyrrole can be modified by multiplicate ways. However, pyrrole group has been seldom explored. The detailed study of organic dyes including pyrrole moieties have been made in our previous study, and some of them can exhibit high efficiencies. Thus, this project would focus on the further optimization of pyrrole-based organic dyes, and extend to the research of nitrogenous compounds, including fused ring compound, heterocyclic rings with electron withdrawing abilities, the improvement of their electro-optical properties can be achieved by various chemical modification, in order to obtain high efficient dye sensitizers with board absorption spectra.

作为染料敏化太阳能电池中的重要组成部分，染料的设计和合成是目前研究的热点。纯有机染料分子以其低成本、易修饰、高摩尔消光系数等优点倍受关注。吡咯作为一种共振能低、富电子性强的五元杂环，通过在其各反应位点可控引入官能团，能对基于吡咯的染料进行全方面的修饰，从而调节其综合性能。但是，目前这方面的工作报道较为少见。在前期的研究中，我们对含吡咯的染料进行了较为系统的研究，获得了一些高性能的染料。在此基础上，我们拟进一步优化此类染料的性能，并将研究范围扩展到其他含氮化合物，如稠环化合物、具有拉电子性能的杂环等，通过化学修饰，不断完善染料的光电性能，以期得到宽波段吸收的高效染料敏化剂。

传统能源的消耗与环境的恶化使得太阳光的有效利用备受关注。染料敏化太阳电池是一类模拟自然界中植物的光合作用原理，实现光电转换的新型电池，其具有原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单等特点而受到科学家们的广泛关注。目前，器件的光电性能已得到稳步提升，与此同时，瓶颈现象日趋显著。其中，如何抑制界面的电子复合以降低体系内的能量损耗已成为研究焦点。以此出发，我们从有机染料敏化剂的设计与合成着手，通过分子扭曲结构的控制，多重电荷转移形式的调节，以及不同结构间隔基团的引入等方式，对界面的电子转移过程进行了合理的优化，并结合不同方式的协同作用，精细调节染料的界面行为以抑制电子复合，实现了光电转换效率~10%的突破。同时，基于染料构效关系的深入探讨与研究，提出了一些原创性的思路与策略。相关设计理念可进一步延伸到其它光电材料中，有效促进了功能体系的发展。